基于惯性导航的升沉测量系统研究
发布时间：2021-11-08 02:37
由于受到海浪的激励作用,舰船在海上航行过程中,会被动地产生升沉运动,升沉信息的精确测量在海洋贸易中船舶之间的货物交接、海上作业设备的升沉补偿装置设计、舰载机的起降及舰载武器发射等许多方面都有重大意义。本文即针对在海上执行作业任务的舰船,以降低所受海面环境影响,提高作业效率与安全性为目的,对升沉信息的测量展开研究。本文设计了基于捷联惯导的舰船升沉测量方法。通过仿真生成舰船升沉运动轨迹,基于升沉轨迹通过捷联惯导解算升沉信息,设计升沉滤波器以解决升沉信息发散的问题,升沉滤波器在解决升沉信息发散的同时引入了相位误差,通过设计带限傅里叶线性组合算法的修正模型可补偿相位误差,实现了高精度的升沉测量。最后将分析杆臂效应误差并进行补偿。主要研究了如下内容:首先推导了捷联惯导数字迭代算法,并建立了捷联惯导的姿态、速度、位置误差模型。基于升沉运动的特点,分析了基于惯性的升沉测量原理。采用捷联惯导反演算法生成升沉运动轨迹,然后基于升沉运动轨迹解算升沉信息,分析升沉信息发散的原因,并介绍了舰船升沉测量中的杆臂误差效应。根据升沉测量的影响因素及天向加速度误差模型设计可抑制发散、滤除低频信息的升沉滤波器,并分析了...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有升沉测量
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-31-通常需要测量的是船舶重心处的升沉信息，若忽略杆臂效应误差，把IMU输出的升沉值当做重心点处的升沉值，则测量得到的升沉信息是存在误差的。图3-8横摇角不为零的升沉测量在舰船的升沉运动中，升沉运动幅值较小，一般在之间，测量精度要求较高，杆臂效应引起的误差是不可忽视的重要因素。理想情况下，可以将IMU安装到舰船的重心处来避免安装不重合引起的安装杆臂效应误差。但在实际工程应用中不可能达到理想状态，总会引起安装杆臂引起的杆臂效应误差。为了避免杆臂效应误差对升沉测量的影响，需在捷联惯导系统测得天向加速度后先补偿掉杆臂效应误差，将IMU安装点处的升沉加速度转为舰船重心处的升沉加速度，再进行导航解算，得到舰船重心处的升沉信息，从而提高升沉测量精度。图3-8中表示舰船重心与升沉监测点M之间的测量杆臂引起的杆臂升沉，当需要得到舰船上监测点M点处的升沉位移时，可通过将舰船重心处的升沉位移加上杆臂升沉位移得到。如此便可以通过一套IMU得到舰船上任意一点的升沉位移。3.6本章小结本章首先分析了舰船升沉运动的特点，以及基于惯性的升沉测量原理。接着基于舰船升沉运动的特点，采用捷联惯导反演算法生成升沉运动轨迹。然后根据仿真得到的升沉运动轨迹，采用第二章推导的捷联惯导数字迭代算法解算升沉信息。由于得到的升沉信息是发散的，分析了升沉信息发散的原因，升沉信息发散主要是由于惯性高度通道的不稳定性以及加速度零偏、舒拉振荡、地球振荡、傅科振荡等低频干扰导致的。前述解算到的升沉信息是捷联惯导系统安装位置处的升沉信息，而通常需要得到的是舰船重心处的升沉信息，所以又分析了捷联惯导系统安装位置和舰船重心不重合导致的杆臂效应误差。COGp0~5mC
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-33-(4-2)接下来，分析滤波器设计时要考虑的技术要求，这里以低通滤波器为例来进行分析。通过通带截止频率和阻带截止频率可将低通滤波器的频率响应曲线划分为三个区域，划分如图4-1所示，低于通带截止频率的频带为通带，高于阻带截止频率的频带为阻带，二者之间的频带为过渡带。图4-1低通滤波器的技术参数在通带内，通带误差容限与通带截止频率的关系应满足下式(4-3)在阻带中，阻带误差容限与阻带截止频率的关系为(4-4)其中，和分别为通带和阻带的截止频率，二者均为数字域频率。虽然滤波器给出的技术要求为通带误差容限及阻带误差容限，但是在实际进行滤波器的设计时，一般以通带允许的最大衰减及阻带应达到的最小衰减作为目标参数。和分别定义为(4-5)(4-6)010()1MrrrNkkkbzHzaz-=--==+11()1,p-d￡Hjw￡w￡w2(),sHjw￡dw3wpwsw1d2dpasapasa(0)20lg20lg()()pppHjHjHjaww==-(0)20lg20lg()()sssHjHjHjaww==-1通带过渡带阻带
本文编号：3482836
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有升沉测量
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-31-通常需要测量的是船舶重心处的升沉信息，若忽略杆臂效应误差，把IMU输出的升沉值当做重心点处的升沉值，则测量得到的升沉信息是存在误差的。图3-8横摇角不为零的升沉测量在舰船的升沉运动中，升沉运动幅值较小，一般在之间，测量精度要求较高，杆臂效应引起的误差是不可忽视的重要因素。理想情况下，可以将IMU安装到舰船的重心处来避免安装不重合引起的安装杆臂效应误差。但在实际工程应用中不可能达到理想状态，总会引起安装杆臂引起的杆臂效应误差。为了避免杆臂效应误差对升沉测量的影响，需在捷联惯导系统测得天向加速度后先补偿掉杆臂效应误差，将IMU安装点处的升沉加速度转为舰船重心处的升沉加速度，再进行导航解算，得到舰船重心处的升沉信息，从而提高升沉测量精度。图3-8中表示舰船重心与升沉监测点M之间的测量杆臂引起的杆臂升沉，当需要得到舰船上监测点M点处的升沉位移时，可通过将舰船重心处的升沉位移加上杆臂升沉位移得到。如此便可以通过一套IMU得到舰船上任意一点的升沉位移。3.6本章小结本章首先分析了舰船升沉运动的特点，以及基于惯性的升沉测量原理。接着基于舰船升沉运动的特点，采用捷联惯导反演算法生成升沉运动轨迹。然后根据仿真得到的升沉运动轨迹，采用第二章推导的捷联惯导数字迭代算法解算升沉信息。由于得到的升沉信息是发散的，分析了升沉信息发散的原因，升沉信息发散主要是由于惯性高度通道的不稳定性以及加速度零偏、舒拉振荡、地球振荡、傅科振荡等低频干扰导致的。前述解算到的升沉信息是捷联惯导系统安装位置处的升沉信息，而通常需要得到的是舰船重心处的升沉信息，所以又分析了捷联惯导系统安装位置和舰船重心不重合导致的杆臂效应误差。COGp0~5mC
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-33-(4-2)接下来，分析滤波器设计时要考虑的技术要求，这里以低通滤波器为例来进行分析。通过通带截止频率和阻带截止频率可将低通滤波器的频率响应曲线划分为三个区域，划分如图4-1所示，低于通带截止频率的频带为通带，高于阻带截止频率的频带为阻带，二者之间的频带为过渡带。图4-1低通滤波器的技术参数在通带内，通带误差容限与通带截止频率的关系应满足下式(4-3)在阻带中，阻带误差容限与阻带截止频率的关系为(4-4)其中，和分别为通带和阻带的截止频率，二者均为数字域频率。虽然滤波器给出的技术要求为通带误差容限及阻带误差容限，但是在实际进行滤波器的设计时，一般以通带允许的最大衰减及阻带应达到的最小衰减作为目标参数。和分别定义为(4-5)(4-6)010()1MrrrNkkkbzHzaz-=--==+11()1,p-d￡Hjw￡w￡w2(),sHjw￡dw3wpwsw1d2dpasapasa(0)20lg20lg()()pppHjHjHjaww==-(0)20lg20lg()()sssHjHjHjaww==-1通带过渡带阻带
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